密封封装内部水汽含量判据研究

杨晨，张素娟

（北京航空航天大学可靠性与系统工程学院，北京 100191）

1 引言

密封封装内部的水汽对于微电路、混合集成电路、多芯片模块和继电器等器件的可靠性是一种威胁。在1975年，R.Thomas总结了当时已知的各种水汽导致器件内腐蚀或其它失效的现象，提出了采用质谱仪进行内部水汽测量的方法，并将单位大气压下0℃时水汽的露点即6000 ppm作为合格判据[1]。后来的美军标MIL-STD-883和我国国军标GJB 548A-96的方法1018基本采纳了这一说法，并考虑到封装内表面氧化、微裂纹和缝隙会有利于水汽凝结，规定容积为0.01cm3至0.85cm3的封装内水汽含量应不大于5000 ppm，且对于水汽敏感器件或宇航级器件应加严到2000 ppm以下[2]。

然而，Perkins，Licari和Buckelew的研究表明，在严格控制的实验环境中，水汽的单独存在并不会导致腐蚀或其它电失效[3]。再考虑到目前生产的大多数微电路都是非密封封装的，这些封装内表面与水汽的接触已经是使用中的正常现象。这就使我们对原本的内部水汽含量的合格判据产生了疑问。

为了解决集成电路中内部水汽含量合格判据的问题，我们必须从相关的失效机理出发，研究水汽在其中的作用。下文将从半导体器件中硅表面铝金属线的腐蚀机理出发来说明这个问题。

2 腐蚀模型

半导体器件中芯片表面铝金属线的腐蚀是一个复杂的过程，其一般过程如下[4]：

1）水汽在硅芯片的表面凝结，从而在金属导线间形成了很薄的液体膜；

2）能水解的杂质被输送到水膜中并被水解从而形成电解液；

3）电解液中的离子与铝表面的氧化膜反应从而将其部分分解；

冉亨茂表示，八周年对于恒丰银行昆明分行是里程碑更是新起点，恒丰银行昆明分行将继续坚持以服务云南经济发展、服务实体经济发展为战略重点，不忘初心、牢记使命，不断创新金融产品、优化业务流程、提升服务效能，为云南经济社会高质量发展贡献更大的力量。

将两组贫血患儿的血液检验结果、诊断符合概率采取SPSS21.0软件分析,血液检验结果为计量资料,予以T检验,诊断符合概率为计数资料,予以卡方检验,两者对比显著的必要条件为P<0.05。

在腐蚀过程中，铝从金属态变为正三价的离子态，同时产生另一些带负电的离子，从而使总电荷保持平衡。对于整个腐蚀系统来说，铝的腐蚀使金属导线变薄，从而使导线的电阻随着时间的增加而增加。在腐蚀过程中，铝离子从金属-氧化膜界面通过氧化膜到达氧化膜-电解液界面，同时，阴离子反方向移动到金属-氧化膜界面。

5）铝离子扩散通过氧化层并与某些阴离子反应生成能溶解或不能溶解的副产物。

考虑式中的钠离子污染，我们可以估计封装中产生腐蚀所需要的最少钠离子的数量。考虑一个具有铝金属线的半导体器件，其空腔体积为1 cc内部水汽含量为5000 ppm，假设其中的水汽完全转化为液态水，则其体积为4×10-9L（在标准状态下，1 cc的液态水的质量是1 g，1 mol的水分子的质量是18 g且相应的气体体积为22.4 L）。

这些步骤合起来就构成了腐蚀的整个动态过程。据此提出的数学表达式可以用来预测腐蚀的速率，而更重要的是可以确定能够影响腐蚀的各个因素（如杂质离子、内部水汽含量和外加电势）之间的相对重要性。

4）在氧化膜下面的金属铝在遇到电解液后被氧化；

对于交通条件优劣的评判，学界目前存在两种较为常见的评价方法：其一，采用距离或旅行时间成本等指标，从可达性视角对交通便捷性进行评价[26]；其二，以定量的手段从相对角度判别区域交通条件的优劣以及级别高低的交通优势度方法[27]。交通可达性衡量的只是交通系统从某一区位到达指定目的地区位的便捷程度，而交通优势度则可以全面反映交通设施优劣的全部内涵[28]。由此，本文运用交通优势度概念，建立机场优势度评价指标体系，对机场条件优劣进行测度。相对于机场条件优劣的研究，对旅游业发展水平评价的相关研究相对较多，具有相对成熟的研究成果，因此本文在总结相关研究的基础上，建立旅游业发展水平评价指标体系。

腐蚀过程中化学反应的两个典型例子如下：

式（1）中：D0——前置系数；

1个月后,对照组和观察组低血压发生情况分别为:10例38.46%、2例7.69%,x2=26.802,p=0.000;高血压发生情况分别为:18例69.23%、5例19.23%,x2=50.674,p=0.000;低血糖发生情况分别为:7例26.92%、1例3.85%,x2=20.441,p=0.000;心脑血管疾病发生情况分别为:13例50.00%、3例11.54%,x2=34.719,p=0.000;感染发生情况分别为:7例26.92%、2例7.69%,x2=12.920,p=0.000;组间比较结果P<0.05。由于部分患者同时伴有多种并发症,因此数据统计有重复情况发生。

Ec——与化学势相关的激活能；

2.[tʂxui](这会儿)+[tala][f](说)[tʂie](这些)干吗呢？(现在还要说这些干什么呢？)

Ee——与外加电场相关的激活能；

父亲不是常常引用祖父的话，要我们以家庭为重吗？我的价值观，显然受到了家庭的影响；父祖辈的谆谆教导，已经深入骨髓了。

K——波尔兹曼常数；

由于腐蚀电流I的大小反应了腐蚀过程的速率，而电路的寿命正比于铝导线变薄的程度，因此可以用公式（3）来预测集成电路的寿命。

而表面电解液膜的厚度正比于BET公式定义的凝结的水分子单分子层的数目N：

式（2）中：Pi——环境中的相对湿度；

C——与吸附过程热效应有关的常数。

故可以得到腐蚀电流I如下：

式（3）中：I0——修正系数。

T——环境温度。

3 水汽外其它因素对腐蚀的影响

3.1 杂质离子污染

从模型中可以看出，杂质离子污染的存在是腐蚀发生的前提条件，杂质离子的存在使电解液有一定的pH值，只有pH值小于4.5或大于7.5的时候才会发生腐蚀[5]。

离子的流动产生了腐蚀电流I。为了确定腐蚀电流I的大小，首先需要对铝离子的扩散运动进行数学描述。在化学势和外加电场的共同作用下，铝离子Al3+的扩散速率D可表示为：

宝宝是父母的心头肉，时时牵挂、疼爱有加。宝宝要是有个头疼脑热的，或者小伤小病，父母看在眼里，疼在心里，恨不得病生在自己身上。有时一场疾病之后，宝宝瘦了，父母也累坏了。许多宝宝大病一场之后，连性格也发生了转变。

假设腐蚀在pH值大于8.0的情况下才能发生，则此时H+的浓度为10-8mol/L。考虑到电离平衡，则此时OH-的浓度为10-6mol/L。假设溶液中没有其它离子，考虑电荷平衡，则其中Na+的浓度也大约为10-6mol/L。则产生腐蚀所需要的Na+的量为4×10-15mol。

对于封装中的一个焊盘来说，其所占有的液态水和Na+的量可能仅为总量的0.1%，即其所需要的Na+的量为4×10-18mol。由于1 mol钠离子的质量为23 g，故其腐蚀一个焊盘所需要的钠离子的质量为 9.2×10-17g。

这是一个非常小的量，只能采用非常复杂的分析设备才能被探测到。所以我们很难对杂质离子进行检测并规定一个合格判据。

鉴于此，飞灰的固化稳定化技术成为国内外机构广泛研究的课题。目前，常用的固化方法有水泥固化法、熔融固化法和药剂固化法等。药剂固化法是利用化学药剂通过化学反应使有毒有害物质转变为低溶解性、低迁移性及低毒性物质的过程。药剂固化法流程如图1所示。

3.2 氧化膜结构

影响铝离子扩散的自由能由化学扩散的自由能Ec和外加电势带来的自由能Ee两部分组成。对于化学扩散来说，可以对其进行数学描述如下：

化学激活能取决于离子从一个晶格位置移动到另一个位置所需要做的功，其大小取决于晶体的结构和晶体中离子间的相对键合强度，也就是说取决于氧化膜的结构。化学激活能越小离子的扩散性越高，并且其受到温度的影响也越小。前置系数Dc0取决于晶体中缺陷的密度和分布。

在各种文献中，化学激活能的典型值在0.50 eV到1.25 eV的范围内变化，反映了其相应的工艺、封装和环境条件。较大的值可以被认为铝离子扩散通过了氧化铝结构，而较小的值代表了铝离子通过了氢氧化铝或其它不稳定的铝结构。

如图1所示，在一定的激活能下，在规定的温度范围内，扩散速率相差会达到10个数量级左右。扩散速率的变化范围等同于腐蚀电流的变化范围，由此说明了氧化膜结构对于腐蚀速率的重要影响。

3.3 外加电场带来的激活能

化学扩散的激活能总是正的，因为离子需要做功来从一个晶格位置移动到另一个位置。虽然Ec总是正的，Ee可能是正的也可能是负的，其取决于电场的方向和离子上所带的电荷的正负。这就意味着，相对于纯粹的化学激活能，电场的出现可能会提高或降低总的激活能的大小，从而加快或减慢整个腐蚀过程。

日本一位学者两本著作的中译本，近日在图书市场竟然以同一个书名出现，都叫《低欲望社会》。这样的“撞脸”，让图书市场跟风蹭热点的风气又出现了一个极端的案例。

4 水汽对腐蚀的影响

封装内的水汽含量和温度共同决定了封装内的相对湿度。而相对湿度和吸附剂-吸附质系统共同决定了表面电解液膜的厚度。在相对湿度接近饱和时，电解液膜厚度的变化最为显著。同样，对于环境中的水汽含量不变的情况下，温度的下降会导致相对湿度的上升，从而导致电解液膜厚度的增加。

好在当想起那炸串儿岁月时，我的记忆还没有老，一幕幕都如此鲜活，即便是炸串儿的香味也能在我低血糖低到心慌气短冷汗淋漓的夜里猝不及防地闯进我的梦里，如此清晰，如此有力地引着虚弱的我坚定前行。

如图2所示，吸附热常数C的值取从0.1到100的4种情况下，凝结的单分子层数目N相对于Pi的曲线。可以根据具体的环境条件和相应的吸附剂-吸附质系统来估计相关的C值，再从图中查得电解液层的高度。这个值也能通过一定的实验方法来测得[6]。

单分子层水膜与多分子层水膜的电解性质的区别很大。单分子层和固体表面的氢键会极大地限制铝离子的移动。水分子膜的加厚变成多分子层的过程会改变其电解性质，使其中的离子具有比单分子层中大得多的移动性。

4.3 腹腔镜手术 近年来腹腔镜手术广泛用于妇科手术，腹腔镜手术有潜在的复发风险，如囊肿破裂，肿瘤细胞播散和切口部位转移，而标本袋的使用降低了术中肿瘤破裂及切口部位种植转移的风险。杨菁等[22]研究发现，腹腔镜手术与传统开腹手术有相似的疗效及安全性，但腹腔镜手术术中出血少、术后并发症少、住院时间短、恢复快，可减少盆腔粘连，更利于之后受孕。腹腔镜与开腹手术相比，囊肿破裂和不完全分期的发生率更高(33.9% vs. 12.4%)[23]。 因此，应该由经验丰富技术娴熟的妇科肿瘤专家对BOTs进行腹腔镜手术，以减少腹腔内肿瘤破裂和分期不全的风险，从而降低复发率。

目前，在科学家和工程师中有一个共识，那就是为了产生腐蚀所需要的最少液态水需要有3个单分子层。在标准状况下，不同封装尺寸内的3个分子层的液态水会转化为不同的ppm值。

假设一个密封封装内部尺寸为0.2cm×0.2cm×0.2cm，空腔体积为0.008 cc，内部表面积为0.24cm2。已知3个单分子层的液态水厚度为1.2×10-7cm，则三分子层液态水的质量是2.88×10-8g，其相应的气体体积是3.584×10-5cc。将其除以封装体积得到相应的ppm值为4480 ppm。

解法三：由f（x）=sin2x+a cos2x=（2x+φ）的图象关于直线对称，可知（f x）当可取得最值，则即可得a=-1.

假设另一个较大的封装其内部尺寸为2cm×5cm×0.4cm，空腔体积为4 cc，内部表面积为25.6cm2。则三分子层的液态水的体积为3.072×10-6cc，其质量为3.072×10-6g。如果这些液态水都转化为气体，则对应的体积为3.823×10-3cc，除以封装体积得到相应的ppm值为956 ppm。

对于各种尺寸的封装可以进行类似的计算，针对一定的表面积相对于体积的比例r，我们可以计算出其相应的ppm值，公式如下：

即如图3所示：

由上图可以看出，对封装内空腔较大的器件的内部水汽含量要求可能需要更为严格。但是，针对于水汽控制，空腔较大的器件也有一定的优势，因为在相同的漏率情况下，较大空腔的器件需要更多的时间使内部达到一定的水汽含量。

通过深入的研究分析我发现，当前大数据依然无法有效地融合到企业的管理当中。归根结底，这主要就是由于部分企业领导人员并没有充分地重视起大数据的价值所导致的。由于受到以往传统管理理念的巨大影响，领导人员在实际的管理过程当中，依然采取的是以往传统、单一的管理模式，仅仅是通过单一的渠道，来完成对信息数据的收集，无法有效地确保信息数据的完整性以及价值性。由此我们不难看出，由于企业领导人员的不重视，无法发挥出大数据的作用，必然无法实现有效的管理。

在假设封装内空腔的底面积为正方形的情况下，我们还可以得到如下方程：

其中，V为空腔的体积，h为空腔的高度。即如图4所示：

5 结束语

从上文的计算中可以看出，如果在铝金属线表面形成3个单分子的液态水达到腐蚀的必要条件，则所需要的水汽含量相对很少，但是在特定的环境条件下，密封封装内的水汽不可能都以液态水的形式存在。

当密封封装中的器件处于贮存状态时，封装中的温度近似等于环境温度并随着环境温度的变化而变化，封装内的水汽含量是一定的。标准中规定空腔中最大允许水汽含量为5000 ppm，这个水汽含量相应于-2℃左右时的露点。

当器件处于工作状态时，意味着器件中有电流流过，也就是器件表面有功率耗散。随着芯片的温度升高，芯片表面附近的环境温度逐渐接近芯片内的节温。封装内会形成温度梯度，并且这个温度梯度取决于器件的功率耗散和封装材料的热阻。虽然此时封装中空腔内水汽含量仍保持不变，但是相对湿度却随着封装内温度的变化而变化。假设密封封装内的水汽含量为5000 ppm，则其在贮存条件下（温度为25℃）的内部相对湿度为16%，而在使用条件下（温度为55℃）的内部相对湿度为3.2%。在这些相对湿度条件下，封装内表面吸附的液态水很少。

同时，上文中的腐蚀模型也指出，即使铝金属线表面有一定的液态水，也需要有一定量的杂质离子污染才能形成电解液膜。而且在腐蚀的过程中，铝表面氧化膜的结构和外加电场相对于电解液膜的厚度对腐蚀速率的影响可能更加显著。由此看来，美军标MIL-STD-883和我国国军标GJB 548A-96的方法1018及相关的内部水汽含量合格判据的规定是较为严格的。

为了提高器件的可靠性，杜绝密封封装内部硅表面铝金属线发生腐蚀失效，在封装内部水汽含量保持合格的同时，我们还需要保证封装的密封性，尽可能地减少杂质离子污染，并使铝表面的氧化膜相对于周围环境保持化学性质稳定。

[1]THOMAS R.Moisture，Myths，and Microcircuits[J] .Parts，Hybrids，and Packaging，IEEE Transactions on，1976，12(3) ：167-171.

[2]贾松良.封装内水气含量的影响及控制[J].电子与封装，2002，2(6)：12-16.

[3]PERKINS K L，LICARI J J，BUCKELEW R L.Investigation of moisture effects on selected microelectronic devices.[C]//Proc Int Microelectron Symp.1978：125-127.

[4]HOGE C E.Corrosion criteria for electronic packaging.I.A framework for corrosion of integrated circuits[J].Components，Hybrids，and Manufacturing Technology，IEEE Transactions on，1990，13(4)：1090-1097.

[5]GREENHOUSE H.Hermeticity of electronic packages[M].New York： William Andrew，2000.

[6]SWARTZ W E，LINN J H，AMMONS J M.The adsorption of water on mietallic packages[C]//Reliability Physics Symposium.1983：52-59.